SILENO CIRNE TRINDADE
SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL COMO FERRAMENTA DE
AUXÍLIO AO PROJETO: APLICAÇÃO EM EDIFÍCIOS
NATURALMENTE VENTILADOS NO CLIMA DE NATAL/RN
SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL COMO FERRAMENTA DE
AUXÍLIO AO PROJETO: APLICAÇÃO EM EDIFÍCIOS
NATURALMENTE VENTILADOS NO CLIMA DE NATAL/RN
Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Arquitetura e Urbanismo da Universidade Federal do Rio Grande do Norte - UFRN, como requisito à obtenção do título de Mestre em Arquitetura e Urbanismo.
Orientador: Prof. Aldomar Pedrini, Ph.D.
Co-orientador: Prof. Dr. Raimundo Nonato C. Duarte.
Trindade, Sileno Cirne.
Simulação computacional como ferramenta de auxílio ao projeto: aplicação em edifícios naturalmente ventilados no clima de Natal/RN / Sileno Cirne Trindade. – Natal [RN], 2006.
136 f.
Orientador: Aldomar Pedrini.
Co-orientador: Raimundo Nonato C. Duarte.
Dissertação (Mestrado) – Universidade Federal do Rio Grande do Norte. Centro de Tecnologia. Programa de Pós-Graduação em Arquitetura e Urbanismo.
1. Projeto arquitetônico - Dissertação. 2. Ventilação natural - Dissertação. 3. Simulação computacional – arquitetura - Dissertação. I. Pedrini, Aldomar. II. Duarte, Raimundo Nonato C. III. Universidade Federal do Rio Grande do Norte. IV. Título.
SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL COMO FERRAMENTA DE
AUXÍLIO AO PROJETO: APLICAÇÃO EM EDIFÍCIOS
NATURALMENTE VENTILADOS NO CLIMA DE NATAL/RN
Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Arquitetura e Urbanismo da Universidade Federal do Rio Grande do Norte - UFRN, como requisito à obtenção do título de Mestre em Arquitetura e Urbanismo.
Área de concentração: Projeto, Morfologia e Conforto no Ambiente Construído.
BANCA EXAMINADORA:
Presidente: __________________________________________ Prof. Aldomar Pedrini, Ph.D.
PPGAU/UFRN
Examinadores: __________________________________________Prof. Roberto Lamberts, Ph.D. ECV/UFSC
___________________________________________ Profa. Dra. Virgínia Maria Dantas de Araújo
PPGAU/UFRN
___________________________________________ Prof. Dr. Raimundo Nonato Calazans Duarte
Aos meus pais por investirem na minha educação, me permitindo vencer mais esta etapa.
A Aldomar Pedrini e Raimundo Nonato Calazans Duarte pela dedicação, paciência e amizade nesses três anos de convívio e aprendizado.
A Virgínia Araújo por ter me reapresentado ao Conforto Ambiental e despertado a vontade de pesquisar sobre o tema.
Aos professores do PPGAU pelos ensinamentos passados.
Aos colegas do LabCon, em especial Leonardo Cunha, Renata Matos, Alexandre Oliveira, Glênio Lima e Mônica Oliveira que compartilharam seus conhecimentos e também momentos de alegria.
À equipe da Chemtech pelo suporte técnico oferecido.
À Christhina Cândido pelas valiosas dicas sobre o PHOENICS.
Aos integrantes do Fórum CFD Online que em muitos momentos foram a única fonte de
ajuda. “Thanks in advance”.
A Henrique Araújo pela consultoria nos dados estatísticos.
À Superintendência de Infra-estrutura da UFRN.
À Eletrobrás pelo financiamento dos equipamentos, indispensáveis a esta pesquisa.
A ventilação natural se constitui no principal recurso passivo para obtenção do conforto térmico em climas quentes e úmidos, além de promover a redução do consumo energético com condicionamento artificial. Entretanto, existem restrições ao seu uso por parte dos arquitetos por não haver garantias de que ela possa resolver os problemas de conforto térmico, quando comparada aos sistemas artificiais. Nesse sentido, decidiu-se investigar formas de prever o comportamento da ventilação natural através de ferramentas de simulação computacional, visando auxiliar a decisão arquitetônica. O objeto de estudo é o edifício pré-fabricado tipo galpão devido às suas características geométricas e à freqüência de uso na região, especificamente no campus universitário central da UFRN. Foi utilizado um programa de dinâmica de fluidos (Computational Fluid Dynamics - CFD) e um de simulação do
comportamento térmico e energético de edificações (energy tool - ET). A pesquisa priorizou
a discussão dos procedimentos necessários para viabilizar as análises da ventilação em galpões. Durante seu desenvolvimento, é mostrado como o método teve que ser adequado à complexidade de sucessivas abordagens, resultando em simplificações e incertezas de resultados. Para exemplificar a abordagem são apresentados alguns resultados de simulações. Ao final, as limitações e potencialidades do método são discutidas com base nas características dos códigos de simulações utilizados, das condições de simulação e da representatividade dos modelos.
Natural air ventilation is the most import passive strategy to provide thermal comfort in hot and humid climates and a significant low energy strategy. However, the natural ventilated building requires more attention with the architectural design than a conventional building with air conditioning systems, and the results are less reliable. Therefore, this thesis focuses on softwares and methods to predict the natural ventilation performance from the point of view of the architect, with limited resource and knowledge of fluid mechanics. A typical pre-fabricated building was modelled due to its simplified geometry, low cost and occurrence at the local campus. Firstly, the study emphasized the use of computational fluid dynamics (CFD) software, to simulate the air flow outside and inside the building. A series of approaches were developed to make the simulations possible, compromising the results fidelity. Secondly, the results of CFD simulations were used as the input of an energy tool, to simulate the thermal performance under different rates of air renew. Thirdly, the results of temperature were assessed in terms of thermal comfort. Complementary simulations were carried out to detail the analyses. The results show the potentialities of these tools. However the discussions concerning the simplifications of the approaches, the limitations of the tools and the level of knowledge of the average architect are the major contribution of this study.
Figura 1 - Ventilação por ação dos ventos ou cruzada...20
Figura 2 - Velocidade interna média em função da relação tamanho das aberturas e direção dos ventos para 45° e 90°. ...23
Figura 3 - Efeito da localização das aberturas em edificação térrea. ...24
Figura 4 - Elementos verticais combinados com posicionamento das aberturas. ...24
Figura 5 - Elementos horizontais e as alterações no fluxo de ar. ...25
Figura 6 - Desenho das câmaras de teste com cobogós analisados por Bittencourt (1993). ....26
Figura 7 - Coeficientes de pressão local (Cp x 100) para fachadas de edificações térreas, em diferentes orientações do vento. ...28
Figura 8 - Gráfico do aumento da temperatura em função da velocidade do ar sugerido por Humpreys (apud NICOL, 2004)...30
Figura 9 - Mapa do território brasileiro, indicando regiões de clima quente e úmido. ...32
Figura 10 - Carta com estratégias bioclimáticas para Natal. ...33
Figura 11 - Interface gráfica do programa VisualDOE 4.0. ...39
Figura 12 - Esquema de utilização dos módulos disponíveis no PHOENICS. ...42
Figura 13. Fluxograma da Metodologia proposta para a pesquisa. ...45
Figura 14 - Domínio construído com galpão posicionado no centro. ...66
Figura 15 - Uso de fine grid objects em seqüência com refinamento nas áreas de interesse. ..67
Figura 16 - Domínio com utilização de um objeto de refino tipo fine grid...68
Figura 17 - Subdivisão da malha em regiões...69
Figura 18 - Domínio representando geometria do galpão típico...70
Figura 19 - Malha adotada por Bittencourt (1993) para simulação de cobogós...71
Figura 20 - Simulação do fluxo de ar para velocidade de 10 m/s, com incidência do vento na fachada em quatro ângulos diferentes: 22°, 45°, 67° e 90° . ...72
Figura 21 - Simulação do escoamento em elementos vazados tipo veneziana. ...73
Figura 22 - Domínio representando trecho da fachada do galpão típico com inlets, outlets e regiões de refino na geometria dos elementos vazados...74
Figura 23 - Leitura dos campos de velocidade em área delimitada pelo usuário...75
Figura 24 - Gráficos gerados pelo PHOENICS com comportamento das variáveis e resíduos. ...79
Figura 25 - Visualização dos campos de velocidade por meio de vetores. ...83
Figura 26 - Visualização dos campos de velocidade por meio de contornos...83
Figura 30 - Modelagem do caso com duas zonas...87 Figura 31 - Visualização dos campos de velocidade do ar em trecho da fachada do galpão típico. ...92 Figura 32 - Visualização dos vetores de velocidade através dos elementos vazados...93 Figura 33 - Contorno reduzido à área do cobogó central, com leitura da velocidade em X. ...93 Figura 34 - Visualização de vetores de velocidade e direção do fluxo de ar no caso típico. ...94 Figura 35 - Visualização dos campos de velocidade do ar para o caso típico no plano vertical, com contornos. ...94 Figura 36 - Visualização por superfícies para velocidades de 0,5 (a), 1,0 (b) e 1,5 m/s (c), para o caso típico...96 Figura 37 - Dimensões dos inlets para caso otimizado. ...98
Figura 38 - Domínio reduzido do caso otimizado, com escoamento por contornos. ...99 Figura 39 - Visualização dos campos de velocidades na envoltória otimizada através de vetores...99 Figura 40 - Visualização dos campos de velocidades na envoltória otimizada através de contornos. ...100 Figura 41 - Visualização das superfícies para velocidades de 0,5 (a), 1,0 (b) e 1,5 m/s (c) para o caso otimizado. ...101 Figura 42 - Visualização das superfícies no plano X, para velocidades de 0,5 (a), 1,0 (b) e 1,5 m/s (c) para o caso do caso otimizado...102 Figura 43 - Esquema das simulações para testar a representatividade das condições de contorno típicas. ...105 Figura 44 - Distribuição das velocidades de 0,5 (a), 1,0 (b) e 1,5 m/s (c), no caso de incidência do vento em ângulo de 115° e velocidade típica. ...107 Figura 45 - Distribuição das velocidades de 0,5 (a), 1,0 (b) e 1,5 m/s (c), no caso de incidência do vento em ângulo de 155° e velocidade típica. ...108 Figura 46 - Domínio reduzido com posição dos outlets laterais e posterior. ...113 Figura 47 - Rosa dos ventos do ano de 1954, para o horário comercial...115 Figura 48 - Rosa dos ventos para o horário comercial, no período de 12/08/2002 a 12/08/2005.
Gráfico 1 - Influência da forma da abertura na velocidade do ar em diferentes ângulos do
vento. ...25
Gráfico 2 - Rosa dos ventos para o horário comercial, no período de 12/08/2002 a 12/08/2005. ...56
Gráfico 3 - Gráfico das freqüências de velocidades ocorridas no período analisado...56
Gráfico 4 - Perfis comparativos dos modelos de correção das velocidades do vento. ...59
Gráfico 5 - Temperatura de bulbo seco e radiação solar de Natal segundo TRY de 1954...61
Gráfico 6 - Diagrama psicrométrico com os parâmetros de conforto térmico determinados por Araújo (2001) para o clima de Natal-RN. ...62
Gráfico 7 - Temperaturas corrigidas com o modelo adaptativo de Humphreys para o clima de Natal (TRY de 1954) e os limites de temperatura da zona de conforto de Araújo (2001)...63
Gráfico 8 - Temperaturas médias mensais dos modelos simulados. ...88
Gráfico 9 - Temperaturas radiantes médias mensais dos modelos simulados...88
Gráfico 10 - Temperaturas médias mensais dos modelos com forro. ...89
Gráfico 11 - Temperaturas radiantes médias mensais dos modelos com forro. ...89
Gráfico 12 - Freqüências de temperaturas para variações das taxas de renovação de ar. ...103
Gráfico 13- Freqüência de horas em conforto térmico do caso típico para diferentes renovações de ar. ...104
Gráfico 14- Freqüências de temperaturas para variações das taxas de renovação de ar para uma envoltória otimizada. ...105
Gráfico 15 - Freqüências de temperaturas do ar para variações de trocas de ar por hora. ...109
Foto 1 - Vista do The Commerz Bank Frankfourt, projetado por Norman Foster. ...36
Foto 2 - Uso do sistema pré-moldado tipo galpão para fins comerciais na cidade do Natal....47
Foto 3 - Galpão construído na década de 1970, no campus da UFRN, para uso de depósito..49
Foto 4 - Galpão com uso administrativo na UFRN, construído no ano de 2003...49
Foto 5 - Oficinas da garagem central. ...50
Foto 6 - Depósito de gás da DMP. ...50
Foto 7 - Almoxarifado da SIN...50
Foto 8 - Divisão de Patrimônio da DMP. ...50
Foto 9 - Depósito de Materiais da DMP...50
Foto 10 - Editora Universitária...50
Foto 11 - Edifício do Canteiro de Obras. ...51
Foto 12 - Quadra poliesportiva do DEF. ...51
Foto 13 - Refeitório do NUPLAM. ...51
Foto 14 - Depósito de embalagens do NUPLAM. ...51
Foto 15 - Almoxarifado central do NUPLAM. ...51
Foto 16 - Depósito de inflamáveis do NUPLAM...51
Foto 17 - Oficinas do DFTE...51
Foto 18 - LARHISA. ...51
Foto 19 - Oficina do CCET. ...52
Foto 20 - Laboratório 01 de Eng. Têxtil...52
Foto 21 - Laboratório 02 de Eng. Têxtil...52
Foto 22 - Laboratório de Química. ...52
Foto 23 - Laboratório de Eng. Química...52
Foto 24 - NUPEG ...52
Foto 25 - Estação do campus UFRN. ...54
Foto 26 - Estação do INPE. ...54
Foto 27 - Estação do INMET. ...54
Foto 28 - Estação do projeto Petrobrás...54
Foto 29 - Localização do aeroporto em relação ao campus UFRN...55
Desenho 1 - Esquema de decomposição de vetores no cálculo das velocidades em X, Y e Z.71
Desenho 2 - Representação do galpão típico...90
Desenho 3 - Dimensões das aberturas da fachada sul. ...91
Desenho 4 - Dimensões das aberturas da fachada norte...91
Desenho 5 - Elemento vazado típico. ...91
Desenho 6 - Seção do elemento vazado típico. ...91
Desenho 7 - Geometria do galpão otimizado. ...97
1 INTRODUÇÃO ... 16
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 19
2.1 VENTILAÇÃO NATURAL ... 19
2.1.1 Ventilação na edificação... 19
2.1.2 Variáveis arquitetônicas e ventilação ... 22
2.1.3 Ventilação natural e conforto térmico... 28
2.1.4 Ventilação no clima quente e úmido ... 31
2.1.5 Ventilação natural e eficiência energética... 33
2.1.6 Ventilação híbrida ... 35
2.2 FERRAMENTAS DE SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL ... 37
2.2.1 Programas de simulação térmica e energética... 38
2.2.2 Códigos de CFD ... 39
2.2.3 Integração entre ferramentas térmica e de CFD... 43
3 METODOLOGIA... 45
3.1 OBJETO DE ESTUDO ... 46
3.1.1 Delimitação do universo de estudo... 47
3.1.2 Escolha das edificações características... 50
3.2 CARACTERIZAÇÃO DAS CONDIÇÕES DE CONTORNO ... 54
3.2.1 Condições de contorno para CFD ... 54
3.2.2 Correção das velocidades do vento ... 58
3.2.3 Arquivo climático para simulação térmica e energética... 60
3.3 DEFINIÇÃO DO ÍNDICE DE CONFORTO TÉRMICO ... 61
4 ANÁLISES PRELIMINARES ... 65
4.1 SIMULAÇÕES DA VENTILAÇÃO ... 65
4.1.1 Modelagem em domínio único... 70
4.1.2 Modelagem em domínios separados ... 74
4.1.3 Demais configurações adotadas... 77
4.1.3.1. Modelo de turbulência... 77
4.1.3.2. Critérios de convergência ... 78
4.1.3.3. Valores de relaxação... 80
4.1.4 Determinação de taxas de renovação de ar... 81
4.1.5 Determinação de campos de velocidade ... 82
4.2 SIMULAÇÕES TÉRMICAS ... 86
4.2.1 Modelagem dos casos ... 86
5 RESULTADOS ... 90
5.3 SIMULAÇÕES TÉRMICAS ... 103
5.3.1 Análise de sensibilidade ... 103
5.4 REPRESENTATIVIDADE DAS CONDIÇÕES DE CONTORNO ... 105
5.4.1 Simulações da ventilação ... 106
5.4.2 Simulações térmicas ... 109
6 CONCLUSÕES... 110
6.1 APRENDIZAGEM... 110
6.1.1 Simulação ... 111
6.2 FONTES DE INCERTEZAS DOS RESULTADOS ... 112
6.2.1 Modelagem em CFD... 113
6.2.2 Registros climáticos ... 114
6.2.3 Integração entre ferramentas... 115
6.2.4 Representatividade das condições de contorno ... 116
6.3 POTENCIALIDADES DO MÉTODO ... 116
6.4 OBJETO DE ESTUDO ... 117
6.5 SUGESTÕES PARA FUTUROS TRABALHOS... 118
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 120
1 INTRODUÇÃO
A importância de se produzir uma arquitetura adequada ao clima tem sido discutida desde meados do século XX e aumentou nas últimas décadas, sobretudo devido às questões relacionadas ao abastecimento de energia, à sustentabilidade dos recursos naturais e à qualidade de vida no planeta. Com isso, a aplicação dos recursos bioclimáticos na arquitetura também passou a ser valorizada. Dentre esses recursos se destaca a ventilação natural, reconhecida como o principal meio para a obtenção de conforto térmico em regiões de clima quente e úmido.
Apesar do grande potencial de uso na arquitetura, existem algumas barreiras à utilização da ventilação natural pelos arquitetos, devido principalmente à falta de garantias de que ela possa proporcionar o conforto térmico necessário, quando comparada aos sistemas artificiais de climatização. Muitas vezes o conhecimento dos fundamentos que proporcionam a ventilação natural não é suficiente para a sua utilização adequada na arquitetura. O sucesso do seu uso depende da combinação de fatores como: implantação, forma e dimensões da edificação e de suas aberturas, além do uso de materiais apropriados e a disposição interna dos ambientes (MANSOURI; ALLARD; MUSY, 2003).
Para se prever o comportamento da ventilação no edifício, durante a fase de projeto, são necessários estudos experimentais em escala real com túneis de vento, ou por meio de simulação computacional. Surgida nos anos 1970, a simulação computacional tem se tornado uma alternativa cada vez mais viável em relação ao túnel de vento, sendo mais acessível para grupos de pesquisa de pequeno e médio porte.
Com a evolução na informática, crescem as expectativas de que as ferramentas de análise também se popularizem nos escritórios de arquitetura, como ocorreu, por exemplo, com os programas de cálculo estrutural em escritórios de engenharia. Dentre os programas de simulação voltados para a arquitetura, se destacam os de simulação térmica e energética, bem como os de predição da ventilação, baseados na dinâmica dos fluidos computacional ou CFD (Computational Fluid Dynamics), utilizados para o cálculo de escoamentos em ambientes
externos e internos.
No Brasil, essas ferramentas são praticamente ignoradas por arquitetos em geral. Mesmo nos cursos de arquitetura, a simulação encontra obstáculos à sua utilização, uma vez que requer conhecimentos técnicos ainda pouco difundidos na formação de arquitetos. Soebarto (2005) descreve as dificuldades em introduzir uma ferramenta de simulação térmica e energética a alunos de pós-graduação de arquitetura, como auxílio à concepção de projetos. Segundo a autora, é pouco provável que a maioria dos arquitetos passe a utilizar a simulação como auxílio ao projeto devido à complexidade inerente às ferramentas, entre outros aspectos. Na pesquisa conduzida por Pedrini e Szokolay (2005), destaca-se que os alunos de pós-graduação são os mais esclarecidos sobre o uso dos programas, porém são mais limitados quanto à sua integração no processo projetual. Por outro lado, somente os arquitetos de destaque que foram consultados, demonstraram que poderiam fazer uso das ferramentas porque estão acostumados a desenvolver grandes projetos através de equipes multidisciplinares. Arquitetos com escritórios de pequeno e médio porte, que se propõe a desenvolver projetos arquitetônicos sustentáveis são os mais limitados em ambos os aspectos: uso e integração das ferramentas.
As ferramentas de simulação da ventilação estão entre os programas mais complexos de operação, uma vez que exigem conhecimentos de mecânica de fluidos e de solução numérica de equações diferenciais. Augenbroe (2001) e Maliska (2001) defendem uma melhoria na interface dos programas de CFD para que os arquitetos possam ser incluídos entre os usuários dessas ferramentas, incorporando-as ao processo projetual. No entanto, no estágio atual em que se encontra a simulação computacional, frequentemente é necessária uma equipe multidisciplinar para viabilizar o seu uso. Ainda assim, o alto custo de consultoria restringe sua difusão, segundo o arquiteto Ken Yeang (apud PEDRINI, 2003).
Em síntese, por mais que programas de simulação da ventilação natural tenham se tornado acessíveis para a pesquisa científica, se questiona o seu uso por parte de arquitetos, ainda que esse profissional seja o responsável pelas decisões mais influentes sobre o desempenho da ventilação na arquitetura, como volumetria, fachadas e layout.
Nesse sentido, este trabalho tem como objetivo apresentar um conjunto de abordagens para utilização de ferramentas de simulação computacional, voltadas para o auxílio ao projeto quanto à previsão da ventilação natural e do desempenho térmico de edifícios do tipo galpão. Para isso, fez uso de um programa de CFD, o PHOENICS e outro de análise térmica e energética, o VisualDOE.
para arquitetos, colaborando para a continuidade das pesquisas nesse campo do conhecimento científico, especificamente voltado para a arquitetura bioclimática. O trabalho contribui para a identificação das dificuldades e fontes de imprecisão nas simulações da ventilação natural em edificações através do CFD, com vistas ao aprimoramento de futuras abordagens. Também procura identificar as restrições de modelagem e as possibilidades de integração de ferramentas de CFD com as de simulação térmica no estudo do desempenho térmico de edificações naturalmente ventiladas. Finalmente, a pesquisa busca colaborar para a disseminação de práticas projetuais baseadas na adequação ao clima local e que proporcionem um menor impacto energético, reafirmando o uso da ventilação natural como estratégia de resfriamento passivo de edificações para o clima quente e úmido.
Após a introdução, no segundo capítulo do documento é apresentada uma revisão da literatura referente aos temas de maior interesse à pesquisa: ventilação natural, conforto térmico, eficiência energética, além do uso da simulação computacional em edificações, especificamente relacionada a programas de desempenho térmico e energético e de programas baseados na dinâmica de fluidos computacional (CFD).
No capítulo 3 é apresentada a metodologia de análise, explicando os procedimentos adotados, desde a definição do caso padrão a ser usado nas simulações, até a caracterização das condições de contorno para o CFD e arquivo climático para o VisualDOE, além da definição do índice de conforto adotado.
O quarto capítulo é dedicado às simulações computacionais, com ênfase na ferramenta de CFD. São descritas as etapas para a formulação dos modelos, identificando as dificuldades e adequações realizadas para viabilizá-las. Os parâmetros de configuração são discutidos, assim como os critérios de convergência, determinação de taxas de renovação e campos de velocidades. Finalizando o capítulo, é apresentada a modelagem das simulações térmicas geradas no VisualDOE.
No capítulo 5, são mostrados os resultados das simulações que servem de exemplo para a aplicação da metodologia. A seqüência de modelos é apresentada de acordo com as modificações impostas à sua geometria e às condições de contorno.
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
A revisão da literatura destacou dois temas principais. O primeiro, reservado à ventilação natural, foi subdividido em assuntos correlatos, como a ventilação interna às edificações, as variáveis arquitetônicas que interferem na captação e distribuição do fluxo no interior de edificações, além da sua relação com o conforto térmico e sua importância para o clima quente e úmido. Ainda foram discutidas a influência da ventilação na eficiência energética de edificações e a aplicação do sistema híbrido, como exemplo de novas alternativas de uso da ventilação natural.
A segunda parte da revisão foi destinada às ferramentas de simulação computacional, onde se abordou os principais programas envolvidos com a simulação computacional na arquitetura, priorizando os códigos de CFD e de análise térmica e energética, finalizando com a integração entre essas ferramentas de simulação.
2.1 VENTILAÇÃO NATURAL
2.1.1 Ventilação na edificação
Segundo Givoni (1998), a ventilação interna possui três funções que requerem diferentes níveis de fluxo de ar através da edificação:
x Manutenção da qualidade do ar através de sua renovação constante. Essa função da ventilação serve a todos os climas, mas é essencial em climas frios.
x Resfriamento da massa construída durante a noite e utilização desse resfriamento para a manutenção da temperatura interna diurna abaixo da externa. Essa função é conhecida como “resfriamento noturno” e é mais adequada para climas áridos que têm grandes amplitudes térmicas diárias.
conhecida como “ventilação de conforto”, é a mais utilizada em climas quentes e úmidos como forma de garantir o conforto térmico.
A ventilação interna ocorre quando as aberturas de entrada e de saída da edificação estão expostas a diferentes taxas de pressão do ar. Essas pressões são geradas por duas forças que podem agir isoladamente ou em conjunto (OLGYAY, 1963):
x Ventilação por força térmica ou efeito chaminé;
x Ventilação por ação direta dos ventos ou ventilação cruzada.
De acordo com Szokolay (2004), o efeito chaminé para climas quentes pode ser insuficiente para produzir o fluxo de ar necessário devido à pequena diferença entre as temperaturas do ar externo e interno. Nesse caso, a adoção de “chaminés solares”, com o aquecimento das superfícies usadas para a saída do ar, pode incrementar o efeito para regiões quentes.
No entanto, a ventilação cruzada tem um potencial de uso bem maior, especialmente nos climas quentes e úmidos. Ela ocorre quando o vento cria zonas de pressões positivas nas faces expostas ao se chocar com a edificação, e o ar que é defletido cria zonas de sucção com pressões negativas. A diferença de pressão faz com que o ar circule no interior do edifício se forem dispostas aberturas em ambas as zonas. (Figura 1).
Figura 1 - Ventilação por ação dos ventos ou cruzada. Fonte: adaptado de SEIFERT, 2006.
Q = K . Aef . V (Eq. 1)
Onde:
Q = taxa de ventilação (m³/s)
Aef = área efetiva da menor abertura (m²)
V = velocidade dos ventos externos (m/s) K = fator de permeabilidade com valor de 0,7
A ASHRAE1 (2001b) adota a mesma equação, com exceção do fator de eficácia de aberturas (Cv) que recebe valores entre 0,5 e 0,6 para ventos de incidência perpendicular e
0,25 e 0,35 para ventos diagonais. Esses valores são multiplicados pela área livre de aberturas (A) e pela velocidade dos ventos (U).
Q = Cv. A. U (Eq. 2)
Lamberts, Ghisi e Papst (2000) sugerem a equação seguinte para o cálculo do
fluxo de ar para ventilação cruzada (Qw), a partir da área equivalente de aberturas (Aw), do
valor da velocidade do vento corrigida2 para a altura de interesse (Vz) e a diferença entre os
coeficientes de pressão (¨Cp).
Qw = 0,6. Aw.Vz.¥¨Cp (Eq. 3)
A área equivalente de aberturas é determinada pela equação abaixo.
(Eq. 4)
As taxas de ventilação também podem ser expressas pelo número de vezes em que o volume de ar de um ambiente é renovado, ou o número de trocas de ar por hora (TAH)
(ENERGY SAVING TRUST, 2006). Garde et al (2001) correlacionam taxas de renovação do ar com três funções diferentes da ventilação:
x Taxa reduzida (1 a 2 TAH): mantém as condições de higiene do ambiente;
x Taxa moderada (40 TAH): dissipa os ganhos de calor internos e resfria a envoltória do edifício;
x Taxa alta (acima de 100 TAH): melhora o conforto dos ocupantes devido ao aumento da transferência de calor superficial da pele.
2.1.2 Variáveis arquitetônicas e ventilação
De acordo com Bittencourt (1993) e Givoni (1998), existem diversas variáveis arquitetônicas que interferem nas condições de ventilação interna, podendo ser destacadas as seguintes:
x Orientação do edifício, em especial das aberturas, em relação aos ventos dominantes;
x Dimensão e localização das aberturas de entrada e saída do ar;
x Tipo e configuração das aberturas usadas;
x Localização de elementos arquitetônicos próximos às aberturas, tanto externa, como internamente, que direcionem o fluxo de ar, tais como marquises, brises ou divisórias.
v = 41% V
V
v = 62% V v = 65% V v = 32% V
V
v = 36% V v = 47% V v = 37% V
v = 43% V v = 51% V v = 59% V v = 34% V v = 35% V
v = 39% V
v = 42% V v = 40% V v = 44% V v = 36% V v = 44% V
V V
V V
Figura 2 - Velocidade interna média em função da relação tamanho das aberturas e direção dos ventos para 45° e 90°.
Fonte: Givoni (1976).
Os resultados demonstraram que a velocidade do fluxo interno não está diretamente ligada à dimensão das aberturas. Geralmente quando as aberturas de entrada e de saída são de tamanhos diferentes, a menor abertura terá maior importância para as condições de ventilação, independente se ela está funcionando como entrada ou saída do ar. No entanto, o estudo indica que as maiores velocidades foram alcançadas quando as aberturas de entrada eram menores que as de saída (GIVONI, 1976). Embora não seja discutida a incerteza desses resultados e a sua representatividade para diversas velocidades do ar, as variações podem ser consideradas muito pequenas. Por exemplo, um aumento de 2% da velocidade média do ar provocado pela abertura máxima de saída (primeiro caso), torna duvidosa a decisão de aumentar substancialmente as dimensões de uma janela.
Com relação à orientação do edifício e de suas aberturas, o autor recomenda que as fachadas estejam voltadas para os ventos dominantes em pelo menos um ângulo de 60°, para que a ventilação seja bem captada. As aberturas posicionadas a sotavento devem ser utilizadas como saída da ventilação, promovendo assim o efeito cruzado (GIVONI, 1998).
principalmente em climas frios (MASCARÓ, 1991), assim como na remoção do ar aquecido pela cobertura. Com relação ao posicionamento horizontal das aberturas, o ambiente recebe uma melhor distribuição do ar quando as aberturas não estão frente a frente.
Figura 3 - Efeito da localização das aberturas em edificação térrea. Fonte: Olgyay (1963), Givoni (1976) e Evans (1980).
Os elementos verticais das fachadas produzem efeitos tanto positivos quanto negativos nas condições de ventilação interna (Figura 4), como demonstraram Koenigsberger et al (1977). A correta utilização desses elementos como “captadores” de ventos pode incrementar a ventilação interior (BITTENCOURT, 1993).
Figura 4 - Elementos verticais combinados com posicionamento das aberturas. Fonte: Koenigsberger et al (1977).
Figura 5 - Elementos horizontais e as alterações no fluxo de ar. Fonte: Olgyay (1963).
A relação entre a forma das aberturas e a velocidade do ar interno foi investigada por Sobin (apud BITTENCOURT; CÂNDIDO, 2005), que analisou três formatos diferentes combinados com diferentes ângulos de incidência do vento. O estudo mostrou que as aberturas retangulares permitem maiores velocidades do ar, sobretudo com ângulos do vento oblíquos à fachada (Gráfico 1).
Outro aspecto relevante para o desempenho da ventilação interior é a tipologia das aberturas, que podem incrementar ou prejudicar a qualidade dos ventos internos. Para as condições do clima quente e úmido, qualquer esquadria que permita um fluxo contínuo de ar é mais apropriada para a ventilação. Um exemplo desse tipo de configuração são as venezianas, que conseguem permitir o fluxo de ar mesmo com a esquadria fechada. Bittencourt (1993) destaca a solução do peitoril ventilado que, além de oferecer segurança e um fluxo de ar ao nível das camas, permite a ventilação contínua do ambiente mesmo com as janelas fechadas, sendo indicado para uso em dormitórios.
Outra tipologia de abertura que permite a ventilação constante do interior do edifício são os elementos vazados, ou cobogós, muito utilizados na arquitetura nordestina por oferecerem uma combinação de baixo custo, segurança e porosidade das fachadas. No entanto, é necessário considerar a influência desses elementos no fluxo de ar interno, pois dependendo da sua geometria, o ar pode ser direcionado de forma indesejada no ambiente. Bittencourt (1993) avaliou o desempenho de quatro tipologias de cobogós quanto à resistência à passagem da ventilação natural, em função da velocidade e do ângulo de incidência. Para isso, realizou medições em duas câmaras de testes com painéis compostos pelos quatro tipos de elementos, tomando como referência um ponto interno em cada câmara (Pi) e um externo (Pe) (Figura 6).
O estudo demonstrou que:
x Os blocos apresentam uma resistência seletiva em função da velocidade do vento e da forma de cada elemento analisado;
x A resistência oferecida pelos painéis de cobogós é proporcional à porosidade de cada componente e aumenta à medida que a velocidade do vento aumenta, indicando uma característica moduladora na velocidade do ar interior;
x Ângulos de incidência oblíquos à fachada diminuem a velocidade do ar interior;
x Os blocos podem redirecionar o fluxo do ar, proporcionando uma distribuição mais uniforme, se comparada àquela produzida por uma abertura livre de iguais dimensões.
Os diversos estudos sobre a influência tanto do entorno, quanto da geometria do edifício, no comportamento da ventilação, precisam considerar os diferentes padrões de distribuição das pressões nas superfícies do edifício (MOESEKE et al, 2005).
A pressão causada nas fachadas pelo vento pode ser calculada através da equação abaixo (Eq. 5). Entretanto, há uma grande complexidade de se estimar os efeitos causados sobre a velocidade e a pressão quando o vento encontra a edificação. Fatores como forma da edificação, direção do vento, influência do entorno, vegetação e superfície do terreno apresentam inúmeras combinações, que podem mudar o regime de um escoamento que poderia ser tratado como laminar e torná-lo predominantemente turbulento, alterando também o coeficiente de pressão (ASHRAE, 2001a; SEIFERT et al 2006).
pvento = ȡar . (UH)² / 2 (Eq. 5)
pvento= pressão do vento (Pa) ȡar = densidade do ar (kg/m³)
UH = velocidade do vento corrigida na altura da cobertura3 (m/s)
A diferença entre a pressão na superfície da edificação (ps) e a pressão do vento
sem obstáculos corresponde ao coeficiente de pressão (cp) (Eq. 6). Sua aplicação está voltada
para a estimativa da redução de pressão do vento ao encontrar uma superfície com dimensões
3 A velocidade U
H é obtida aplicando-se equações de correção da velocidade medida na estação
específicas e geralmente sem aberturas, a exemplo dos valores apresentados por Holmes (apud ASHRAE, 2001a) para edificações térreas (Figura 7).
ps=cp . pvento (Eq. 6)
cp = coeficiente de pressão do vento na superfície do edifício
Figura 7 - Coeficientes de pressão local (Cp x 100) para fachadas de edificações térreas, em diferentes orientações do vento.
Fonte: Holmes (1986 apud ASHRAE, 2001a).
A Figura 7 mostra que, dependendo da direção do vento em relação à normal da fachada, o coeficiente de pressão em um edifício baixo varia aproximadamente entre 0,5 e 0,8 quando o ângulo de incidência é 0, tornando-se negativo para ângulos superiores a 45° de acordo com Holmes (apud ASHRAE 2001a).
2.1.3 Ventilação natural e conforto térmico
serve para manter a temperatura interna do corpo humano em níveis constantes, em aproximadamente 37°C (FROTA; SCHIFFER, 2001).
As trocas térmicas ocorridas entre o corpo e o ambiente, por meio da pele, podem ser de quatro tipos: condução; convecção; radiação e evaporação do suor presente na pele. A termorregulação, apesar de ser um recurso natural de controle térmico do corpo, representa um esforço extra, com perda de potencialidade de trabalho. O conforto térmico é sentido quando o indivíduo perde calor para o ambiente, sem recorrer à termorregulação (FROTA; SCHIFFER, 2001).
Para a ASHRAE (apud LAMBERTS; DUTRA; PEREIRA, 2004), o conforto térmico pode ser definido como o estado de espírito que reflete a satisfação com o ambiente térmico que envolve a pessoa, quando o balanço entre todas as trocas térmicas a que se submete o indivíduo for nulo e a temperatura da pele e suor estiverem dentro de certos limites.
De acordo com Szokolay (2004), os fatores que influenciam a sensação de conforto podem ser divididos em três grupos: ambientais (temperatura do ar, ventilação, umidade e radiação); humanas (taxa metabólica em função da atividade exercida, tipo de vestimenta4, a condição de saúde do indivíduo, além de sua capacidade de aclimatação) e fatores adicionais que incluem a alimentação, forma física, níveis de gordura, sexo e idade.
Bittencourt (1993) destaca a importância da ventilação natural para o resfriamento fisiológico, que promove a evaporação da umidade presente na pele humana e as trocas de calor por convecção, ao entrar em contato com o corpo humano. Esse resfriamento é fundamental nos climas quentes e úmidos, pois a principal causa do desconforto em tais regiões é a umidade presente na pele, afirma Givoni (apud BITTENCOURT, 1993). A eficácia do resfriamento fisiológico é função da velocidade dos ventos, da temperatura e da umidade do ar.
A influência da ventilação natural na sensação de conforto foi discutida por diversos autores, demonstrando que os modelos e índices de conforto térmico, inclusive normas, têm sido revisados em função da correta combinação da velocidade do ar com temperatura e umidade, principalmente para condições de climas quentes (GIVONI, 1992; OLESEN, 2004; NICOL, 2004).
4 A vestimenta é medida em unidades de clo. 1 clo corresponde a um isolamento corporal de
Para Olesen (apud LIMA et al, 2005) a temperatura de conforto de 26°C definida na última revisão da norma ASHRAE 55-2004, para pessoas em atividades sedentárias, com ar parado (abaixo de 0,2 m/s), poderia ser elevada além dos 28,8°C se houvesse ventilação com velocidade acima de 0,8 m/s, velocidade limite imposta pela norma. Givoni (1992) também defende que essa velocidade pode ser maior, sobretudo em residências e que, segundo o autor, para países em desenvolvimento de clima quente, podem ser usadas velocidades de até 2 m/s para temperaturas superiores a 32°C e umidade de 90%. Autores como Auliciems e Szokolay (1997), no entanto, consideram que para condições de climas quentes a velocidade de 1 m/s é agradável, podendo chegar até 1,5 m/s.
Pesquisas conduzidas em climas quentes e secos demonstraram um decréscimo de até 4°C na temperatura interior devido à presença de ventilação natural, ao passo que o uso de ventiladores pode estender a temperatura de conforto em 2°C (NICOL, 2004).
Humphreys (apud NICOL, 2004) elaborou um modelo matemático (Eq. 7) para calcular o aumento da temperatura de conforto devido à velocidade do ar, gerando o gráfico da Figura 8.
T = 7 – 50 / 4 + 10v0.5 (Eq. 7)
Onde :
T = extensão da temperatura de conforto térmico (°C) v = velocidade do ar (m/s)
Figura 8 - Gráfico do aumento da temperatura em função da velocidade do ar sugerido por Humpreys (apud NICOL, 2004).
Fonte: adaptado de Nicol (2004)
modelos sobre os valores aceitáveis de velocidade, associados à temperatura e umidade do ar. Lima et al (2005) avaliaram a aplicação de modelos clássicos como os de Koenigsberger et al (1977), Fanger (1972) e Givoni (1992) para o clima de Natal/RN, constatando as limitações impostas pelos modelos e pela escassez de dados climáticos. Os autores concluíram que a aplicação de um índice deve considerar o tipo de edificação e o seu uso, para se determinar limites de velocidade adequados para as atividades desenvolvidas nela, assim como os limites de umidade do ar.
2.1.4 Ventilação no clima quente e úmido
Para Szokolay (2004) o clima quente e úmido é o mais difícil de se projetar devido às características de alta umidade e amplitude térmica diária baixa, limitando as opções de condicionamento passivo ao uso da ventilação natural. Givoni (1998) ainda destaca dificuldades como incidência de chuvas e presença de insetos que devem ser evitadas, bem como a entrada de radiação pelas aberturas, sem, contudo, prejudicar a penetração dos ventos no interior dos edifícios. O projetista deve procurar aproximar ao máximo a temperatura interna da externa, promovendo o resfriamento fisiológico da pele através da ventilação natural (SZOKOLAY, 2004).
Outras recomendações de projeto de edificações para regiões de clima quente e úmido freqüentemente se referem aos seguintes itens (GIVONI, 1998; SZOKOLAY, 2004):
x Minimizar os ganhos térmicos pela cobertura devido à alta radiação nas superfícies horizontais em tais latitudes. Pode ser obtida por meio de telhas com propriedades isolantes, uso de superfícies refletivas e/ou de cores claras, além do uso de áticos ventilados5.
x Evitar aberturas nas fachadas leste e oeste de alta incidência solar, priorizando as faces norte e sul.
x Dispor a edificação de aberturas que permitam a ventilação cruzada.
5 O uso de áticos ventilados é questionável por alguns autores devido à sua pequena influência na
x Orientar as fachadas que recebem a ventilação em ângulos próximos de 45º, aumentando a velocidade de entrada dos ventos.
Os recursos bioclimáticos típicos para o clima quente e úmido são recomendados para 53,7% do território brasileiro de acordo com a norma “Desempenho térmico de edificações Parte 3: Zoneamento bioclimático brasileiro e diretrizes construtivas para habitações unifamiliares de interesse social” (ABNT, 2005) (Figura 9). O documento traz o uso da ventilação cruzada permanente como recomendação para o projeto de residências populares nesse clima, propiciada por meio de grandes aberturas, equivalentes a pelo menos 40% da área de piso do ambiente. Além disso, as paredes e coberturas devem ser leves e refletoras e as aberturas devem ser sombreadas.
Figura 9 - Mapa do território brasileiro, indicando regiões de clima quente e úmido. Fonte: adaptado de ABNT (2005).
Bittencourt (1993) destaca a importância da ventilação natural para o resfriamento fisiológico, que promove a evaporação da umidade presente na pele humana e as trocas de calor por convecção, ao entrar em contato com o corpo humano. Esse resfriamento é fundamental nos climas quentes e úmidos, pois a principal causa do desconforto em tais regiões é a umidade presente na pele, afirma Givoni (apud BITTENCOURT, 1993).
0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0
0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 4 0 4 5 5 0
TBS[°C] TB U[° C] W[ g /k g ]
U F SC - E CV - L abE E E - NP C
ZONAS: 1 1. Conforto 2 2. Ventilacao 3 3. Resfriamento Evaporativo
4 4. Massa Térmica p/ Resfr.
5 5. Ar Condicionado
6 6. Umidificação
7 7. Massa Térmica/ Aquecimento Solar
8 8. Aquecimento Solar Passivo
9 9. Aquecimento Artificial
1 0
10.Ventilação/ Massa
1 1 11.Vent./ Massa/ Resf. Evap.
1 2 12.Massa/ Resf. Evap.
Figura 10 - Carta com estratégias bioclimáticas para Natal. Fonte: Analysis Bio (2003).
2.1.5 Ventilação natural e eficiência energética
A eficiência energética pode ser atingida por vários meios, tais como o desenvolvimento de novos equipamentos de baixo consumo, a educação do consumidor, e também o planejamento adequado de novas edificações, onde se inclui a maximização do aproveitamento dos recursos naturais, como a ventilação natural, contribuindo para o uso racional da energia.
A situação energética de países em desenvolvimento é considerada crítica, já que a demanda é crescente e os esforços para a geração de energia não acompanham esse crescimento (BASTIDE et al, 2006). No Brasil, houve uma redução dos investimentos no setor energético nas últimas décadas, passando de 24% do total investido no país, em 1984, para 8% na década de 1990 (SIGNOR, 1999).
Pedrini (2003) destaca a importância da arquitetura no consumo final da edificação, principalmente para edifícios comerciais, que têm na sua envoltória um papel determinante para a redução da necessidade de iluminação e resfriamento artificiais. O potencial de diminuição do consumo de energia em edificações comerciais está diretamente ligado aos sistemas de iluminação artificial e ar-condicionado, tanto para prédios novos como os em reformas. De acordo com Geller (apud LAMBERTS; DUTRA; FERREIA, 2004) o consumo com ar-condicionado na cidade de São Paulo representa em média 20% da energia consumida em edificações, sendo que em edifícios comerciais esse valor chega a 48%.
O PROCEL6 (apud PEDRINI, 1997) indicou um potencial de redução de 30% do
total de energia consumida em edificações, sendo esse percentual aumentado para 50% no caso de novos projetos. Kearney (apud PEDRINI, 2003) afirma que com pequenas alterações no projeto pode-se chegar a reduções de até 20% no consumo final de energia. Já Rivard (apud PEDRINI, 2003) atesta que 50% das deficiências relacionadas ao mau desempenho energético de edifícios comerciais são resultantes de sua envoltória.
Dentro dessa perspectiva, a falta de normas específicas à eficiência energética em edificações no Brasil se torna uma barreira ao crescimento de uma postura conservacionista. O Brasil ainda figura entre os poucos países do mundo que não possuem legislação específica à racionalização da energia nos edifícios (LAMBERTS; DUTRA; FERREIRA, 2004).
Dessa forma, as iniciativas tomadas por parte dos projetistas, com vistas à redução do consumo energético das edificações, se baseiam na maioria das vezes em práticas empíricas, já que se torna difícil quantificar o ganho de energia obtido em determinada medida adotada no projeto arquitetônico (SIGNOR, 1999). Dentre as medidas de eficiência energética buscadas pelo PROCEL está a regulamentação do setor da construção civil com a adoção de normas para edificações mais eficientes (MATOZZO, 2004).
Pedrini (2003) cita a experiência da Austrália na adoção de recomendações de projeto para edificações eficientes. Órgãos locais desenvolvem guias com diretrizes para a construção e reforma de edificações voltadas para o baixo consumo de energia, bem como recomendações de manutenção dos edifícios para o mesmo propósito. Em um desses guias é colocado que um edifício projetado para o baixo consumo poderá ter 50% a menos de gastos energéticos do que um edifício convencional. Dentre as diretrizes voltadas para novos prédios
6 PROCEL - Programa Nacional de Conservação de Energia Elétrica. Mais importante órgão
ou reformas podem ser destacadas as seguintes: a presença de um profissional especializado em energia deve ser incorporada à equipe responsável pelo projeto; estabelecimento de metas de consumo e definição dos critérios de projeto para alcançá-las; avaliação do consumo energético e dos custos de cada decisão tomada no projeto; além da promoção de estratégias de manutenção, entre outras.
Independente do grau de desenvolvimento de cada país, o arquiteto desempenha um papel fundamental na obtenção da eficiência energética das edificações, já que é através de um projeto pensado desde seus primeiros esboços em promover soluções de baixo impacto energético, que os melhores resultados são atingidos. As fases preliminares de concepção do projeto devem merecer especial atenção, pois é nelas em que o arquiteto toma decisões que influenciarão intensamente o desempenho energético da edificação (PEDRINI, 2003).
2.1.6 Ventilação híbrida
Nos últimos anos, sobretudo em países desenvolvidos, houve um crescimento dos estudos sobre ventilação em edifícios, baseados em uma nova concepção de aproveitamento desse recurso natural, onde são empregadas as técnicas da ventilação mecânica associadas à ventilação passiva. Essa forma de resfriamento foi denominada de ventilação híbrida e busca a integração dos sistemas natural e artificial, que operados de forma eficiente, promovem o conforto térmico e a redução do consumo energético das edificações.
Emmerich e Crum (2005) destacam que, apesar de não haver consenso na literatura atual, a maioria dos autores considera como híbrido o sistema operado de maneira automática na mudança da ventilação mecânica para a natural. A ventilação híbrida é um sistema que pode ser operado de acordo com as condições climáticas do momento. Sempre que as condições climáticas forem favoráveis, sensores desativam a ventilação mecânica, acionando as aberturas para a ventilação natural, tornando o sistema muito mais eficiente do ponto de vista da qualidade do ar e, principalmente do consumo energético (HEISELBERG, 2001).
ventilação híbrida nestes locais passou a ser tomada como uma solução para o uso racional dos meios mecânicos, além de promover a melhoria da qualidade do ar interior, através de sua renovação por meio da ventilação natural, quando o clima assim permitir.
Gids (2001) cita o exemplo do edifício The Commerz Bank, em Frankfurt,
projetado pelo arquiteto Norman Foster. É um dos edifícios mais altos da Europa, com uma área de aproximadamente 70.000 m², sendo utilizado por cerca de 25.000 pessoas diariamente trabalhando em escritórios. Desde as fases iniciais do projeto, em 1991, o arquiteto planejava utilizar a ventilação natural, oferecendo a possibilidade de controle do clima interno pelos usuários. No caso de condições climáticas favoráveis à ventilação natural, o sistema mecânico é desligado automaticamente. O inverso acontece em condições adversas de frio ou calor. Segundo Gids (2001) esse pode não ser considerado um caso de ótima eficiência do sistema híbrido, porém, é um bom exemplo da tentativa de minimizar os custos energéticos e dar aos usuários o máximo de controle climático do seu ambiente (Foto 1).
Em 1998, a Agência Internacional de Energia (IEA) deu início ao projeto “Anexo 35”, envolvendo 15 países7 com o objetivo de promover a implementação de sistemas híbridos de ventilação, voltados para a eficiência energética e a qualidade do ar em edifícios de escritórios e educacionais (HEISELBERG et al, 2001). Entre edifícios novos e que foram reformados para usar o sistema híbrido, foram incluídas 22 unidades em 10 países participantes, que tiveram seus desempenhos acompanhados. O interesse principal era desenvolver uma filosofia de projeto para garantir os melhores resultados e identificar os desafios à implantação do sistema em larga escala.
Depois de realizadas as primeiras avaliações dos edifícios envolvidas na pesquisa, foi possível constatar benefícios em alguns casos relativos a índices de qualidade do ar, melhorias de conforto térmico e economia de energia. Em geral, a pesquisa serviu para traçar o estado da arte da ventilação híbrida identificando suas potencialidades e as limitações deste sistema que ainda está em fase de aprimoramento.
Segundo Gids (2001) o sistema estará devidamente desenvolvido num período de dez anos, uma vez que as experiências e o conhecimento científico da ventilação híbrida ainda são muito limitados, devido à complexidade de parâmetros envolvidos. Entre as barreiras a serem vencidas pode-se destacar algumas apontadas em outras pesquisas semelhantes e relatadas por Heiselberg (2001), tais como: incertezas quanto à concepção dos projetos e integração dos sistemas; falta de normas adaptadas aos projetos e ao controle das soluções adotadas; e por último, a desconfiança por parte dos usuários quanto à eficiência e à segurança do sistema.
2.2 FERRAMENTAS DE SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL
Os primeiros programas de simulação computacional surgiram nos anos 1970, em meio à crise de energia, motivados pela necessidade de se testar alternativas para construções com menor impacto energético. A evolução da informática nas décadas seguintes possibilitou o aprimoramento de programas voltados para o auxílio à concepção de projetos, oferecendo
7 Alemanha, Austrália, Bélgica, Canadá, Dinamarca, Estados Unidos, Finlândia, França, Grécia,
meios de se mensurar o ganho energético, através de análises de elementos como a geometria do edifício, sistemas de iluminação e ventilação adotados, além da rotina de utilização da edificação (MENDES; LAMBERTS; CUNHA NETO, 2001).
Dentre os programas envolvidos com a simulação computacional aplicada a edificações, destacam-se os programas de simulação energética e os programas de simulação do escoamento de fluidos, os chamados CFD.
2.2.1 Programas de simulação térmica e energética
Os programas de simulação energética calculam as complexas inter-relações entre a edificação, o ambiente externo e seus sistemas prediais. São capazes de predizer o desempenho da envoltória, dos sistemas de condicionamento artificial, cargas de resfriamento e aquecimento, e o consumo energético. São algoritmos que modelam os balanços de energia e transferência de calor entre as superfícies da edificação (ZHAI; CHEN, 2001).
Normalmente os programas de simulação energética trabalham com três grupos de variáveis principais que reúnem uma série de parâmetros que influenciam o desempenho térmico da edificação: variáveis climáticas (condições do clima local como temperatura, radiação, velocidade dos ventos etc.); variáveis de projeto (layout interno, geometria,
propriedades termo-físicas da construção etc.) e variáveis de uso e ocupação (rotinas, cargas térmicas internas, uso de equipamentos etc.) (OLIVEIRA, 2006).
Devido à complexidade dos parâmetros envolvidos em um estudo de viabilidade de medidas redutoras do consumo energético de uma edificação, Pedrini (1997) destaca que a utilização de programas de simulação energética é a maneira mais econômica e rápida de se chegar à quantificação dos benefícios que essas medidas vão gerar.
Existem diversos programas de simulação energética utilizados em centros de pesquisa por todo o mundo, inclusive no Brasil, como o ESP-r, ENERGYPLUS, TRNSYS e DOE. Este último passou a ser aplicado com maior freqüência desde os anos 1990, por grupos de pesquisadores brasileiros, principalmente em Universidades da região Sul do país (MENDES;LAMBERTS; CUNHA NETO,2001).
programa. Desde então, grupos de pesquisadores liderados pelo Lawrence Berkley National
Laboratory, passaram a ser responsáveis pelas revisões e atualizações do programa
(PEDRINI, 1997).
Desde 1994, quando se encontrava na versão 2.1, o programa ganhou uma interface gráfica e passou a ser incluído em um novo pacote organizado pela Architectural
Energy Corporation denominado VisualDOE, que lançou sua última versão (4.0) em 2004
(Figura 11).
Figura 11 - Interface gráfica do programa VisualDOE 4.0. Fonte: VisualDOE (2004)
O VisualDOE 4.0, que atualmente conta com uma atualização (4.1), é um pacote que incorpora a versão DOE2.1E, incluindo ferramentas de análise de sistemas de iluminação e ventilação, aquecimento de água e envoltória da edificação. Além disso, realiza uma gama de simulações que incluem demandas de energia elétrica, consumo de gás e custos de implementação destes sistemas, com resultados horários sendo disponibilizados para facilitar as análises (VISUALDOE, 2004).
2.2.2 Códigos de CFD
fluxo, gerando valores de suas variáveis como pressão, velocidades e temperatura, dentro de um campo, ou domínio, em regimes estacionários ou transientes (KUNDU; COHEN; HU 2002).
Segundo Versteeg e Malalasekera (1995) a solução de problemas envolvendo dinâmica dos fluidos requer do usuário não só a habilidade de configurar a ferramenta, mas também a compreensão dos complexos fenômenos físicos e químicos envolvidos, além de um bom entendimento das soluções numéricas. A modelagem das simulações envolve decisões que devem ser tomadas em função do nível de complexidade e resultados esperados para cada estudo.
Outros autores (MALISKA, 2001; AUGENBROE, 2001) também afirmam que os programas de CFD exigem conhecimentos específicos do usuário, sendo necessário desenvolver novas interfaces voltadas ao uso por um número maior de profissionais, inclusive arquitetos, para que a simulação em CFD seja cada vez mais empregada como ferramenta de apoio ao projeto.
Gaspar, Barroca e Pitarma (2003) citam que a maioria dos códigos de CFD foi escrita para uso geral, podendo ser aplicados em várias situações envolvendo o escoamento de fluidos, por isso tornando-se de difícil utilização. No entanto, os mesmos autores enfatizam que a nova geração de pacotes CFD já incorpora muitos recursos que o tornam mais amigáveis em termos de modelagem matemática, apresentação de resultados etc.
Anderson (1995) aponta a Dinâmica dos Fluidos Computacional como uma terceira abordagem complementar às duas desenvolvidas anteriormente: a teoria e o experimento. A sua larga utilização nas últimas décadas como ferramenta de pesquisa e de auxílio ao projeto se deve às vantagens oferecidas quando comparada aos estudos experimentais e teóricos envolvendo a dinâmica de fluidos. Kundu, Cohen e Hu (2002) apontam algumas dessas vantagens:
x Baixo custo de aquisição e operação, já que as tecnologias computacionais vêm se tornando cada vez mais acessíveis ao longo dos anos.
x Oferecem informações detalhadas sobre o fluxo estudado, com fácil acesso aos dados de saída.
x Permitem a rápida mudança de parâmetros, otimizando a análise do escoamento.
x Permitem o estudo de fenômenos de risco, como explosões e vazamentos de fluidos radioativos.
Apesar disso, a Dinâmica dos Fluidos Computacional não substitui a teoria e o experimento, pois sempre haverá a necessidade dessas duas abordagens, na medida em que os resultados de cada uma delas ajudam na interpretação das demais. Somente a comparação com o experimento pode oferecer uma referência do nível de exatidão alcançado pela simulação. (ANDERSON, 1995; VERSTEEG; MALALASEKERA, 1995).
O surgimento dos programas de CFD é atribuído à indústria aeroespacial nas décadas de 1960 e 1970. Hoje em dia são utilizados em diversas áreas, como as indústrias automobilística, naval e de manufaturados, astrofísica, metereologia, oceanografia etc. A engenharia e arquitetura são campos mais recentes de aplicação dessas ferramentas que tiveram sua evolução diretamente ligada ao desenvolvimento da informática (ANDERSON, 1995; BLAZEK, 2001).
As simulações em CFD voltadas para o ambiente construído podem ser divididas em estudos externos e internos. Nos estudos de fluxos internos as maiores aplicações são voltadas para análises de qualidade do ar, ventilação artificial, sistemas de exaustão, riscos de incêndio, bem como predição da ventilação natural (GASPAR; BARROCA; PITARMA,
2003).
As pesquisas com CFD no Laboratório de Conforto Ambiental (LabCon-UFRN) começaram em 1998, com a aquisição do programa PHOENICS (Parabolic Hyperbolic or
Elliptic Numerical Integration Code Series). As pesquisas se concentraram no comportamento
do vento na escala urbana, cujos resultados foram voltados para recomendações de revisão de planos diretores e códigos de obras locais (COSTA, 2001; MARQUES, 2003). Com a reestruturação do LabCon em 2004, através de recursos oriundos da Eletrobrás, o programa e os recursos computacionais foram atualizados.
O programa PHOENICS, que se encontra na versão 3.6.0, é um programa para ambiente Windows. Sua interface valoriza principalmente a modelagem geométrica e a visualização dos resultados. Recomenda-se, no entanto, que o usuário tenha bom conhecimento de dinâmica dos fluidos e também de linguagem FORTRAN para que todos os seus recursos sejam explorados e para que os resultados sejam confiáveis. O PHOENICS é um pacote de CFD para uso geral em diversas aplicações, que simula escoamentos de fluidos, reações químicas e físicas, além de tensões em sólidos imersos (LUDWIG, 2004). Como a maioria dos programas de CFD, trata as simulações em três fases, nas quais existem submódulos que trabalham de forma independente (Figura 12):
1) O pré-processador possui dois módulos diferentes: o VR Editor, módulo de
realidade virtual e o Satellite, em modo de texto;
2) O processador é constituído pelo módulo EARTH;
3) O pós-processador é composto por três módulos: o PHOTON, um programa de saída gráfica escrito em linguagem FORTRAN, o VR Viewer, que permite visualizar o
escoamento, e o Autoplot, que produz saídas em forma de gráficos.
Figura 12 - Esquema de utilização dos módulos disponíveis no PHOENICS. Fonte: adaptado de Spalding (2004)
Esses módulos trabalham com arquivos de formatos diferentes, que possuem funções específicas e fazem a comunicação entre eles dentro do programa. São eles:
2) EARDAT, arquivo em formato ASCII que transporta para o módulo EARTH as
configurações do usuário informadas no arquivo Q1;
3) PHI, arquivo gerado pelo EARTH em formato que permite a leitura pelos três
módulos pós-processadores;
4) RESULT, também em formato ASCII, expressa os resultados de forma tabular
(SPALDING, 2004).
2.2.3 Integração entre ferramentas térmica e de CFD
Duas abordagens são identificadas na literatura a respeito da integração de ferramentas de simulação computacional. Na primeira, conhecida como integração interna, um só programa contém vários módulos de simulação onde são calculadas as variáveis envolvidas na edificação, como análise térmica, de ventilação, qualidade do ar, cargas elétricas, iluminação etc. A outra opção, denominada integração externa, é aquela na qual dois ou mais programas trabalham fornecendo dados que alimentam as simulações feitas separadamente em cada um deles. Nesta abordagem está incluída a associação de programas de simulação energética com os pacotes de CFD (DJUNAEDY, 2005).
O uso integrado de programas de simulação energética e de CFD é apontado como alternativa para uma avaliação mais abrangente da performance da edificação, uma vez que as duas ferramentas fornecem informações complementares, levando a resultados mais precisos das análises. Enquanto os primeiros geram informações sobre o desempenho da envoltória, sistemas de ventilação artificiais, cargas de ventilação necessárias e o consumo de energia gerado, entre outros, os programas de CFD podem fornecer dados de conforto térmico, qualidade do ar, distribuição de velocidades, temperaturas, umidade do ar etc. (ZHAI; CHEN, 2001).
nessas superfícies, havendo assim, um intercâmbio de condições de contorno entre os programas.
3 METODOLOGIA
A metodologia parte de uma proposta de abordagens combinadas para avaliar o desempenho da ventilação natural e seu impacto no conforto térmico em um determinado tipo de edificação. Sua formulação é resultado da revisão bibliográfica, da avaliação dos recursos computacionais disponíveis e da discussão com os colaboradores dessa pesquisa (Figura 13).
A proposta se inicia com a seleção de uma tipologia arquitetônica, que representa as edificações construídas com o sistema pré-moldado. Após a caracterização do caso padrão e da simulação do seu desempenho é possível criar variações que representam alternativas projetuais simplificadas.
Figura 13. Fluxograma da Metodologia proposta para a pesquisa.
de integração, onde uma ferramenta de CFD alimenta as simulações em programa de análise térmica e energética, a exemplo do estudo de Haves, Graça e Linden (2003).
A combinação das ferramentas tem dois propósitos. O primeiro é a identificação do impacto da geometria sobre a renovação de ar (calculada no CFD), que por sua vez influencia as temperaturas do ar internas (desempenho térmico anual). O segundo propósito é a identificação dos benefícios da ventilação no aumento da temperatura limite de conforto térmico, devido ao aumento da perda de calor por convecção superficical.
A simulação do desempenho térmico é realizada por um programa que calcula os fluxos de calor e as variações de temperatura ao longo das 8.760 horas do ano, a partir da caracterização das propriedades termofísicas dos materiais, das formas da edificação e do tipo de uso. O objetivo da simulação é a identificação do comportamento das temperaturas do ar internas. Portanto, o modelo deve enfatizar os fenômenos de transferência de calor. A ferramenta escolhida é o programa VisualDOE 4.1 (ARCHITECTURAL ENERGY CORPORATION, 2005), que tem como algoritmo de cálculo o DOE2.1E (SIMULATION RESEARCH GROUP, 2000). A principal deficiência do programa é a maneira pela qual a ventilação natural é tratada nos cálculos. Assim como outros programas da década passada, a ventilação natural é declarada pelo usuário e não é sensível à interação do vento com a edificação. Para atenuar a limitação, os modelos são caracterizados, sobretudo pelas taxas de renovação declaradas, que podem ser identificadas nas simulações em CFD.
A simulação em CFD parte de um modelo simplificado que enfatiza a geometria da envoltória e simula seu impacto na renovação de ar e nos campos de velocidade de ar interna para situações específicas de condições de contorno. Como as simulações em CFD demandam muito tempo para simular apenas um caso muito particular, o método proposto buscou otimizar os recursos disponíveis, obtendo o melhor de cada abordagem.
3.1 OBJETO DE ESTUDO
fibrocimento (Foto 2). Sua larga utilização está associada ao seu baixo custo, uma vez que é possível construir com maior rapidez e a menores preços, quando comparado ao sistema convencional de vigas e pilares moldados in loco.
Foto 2 - Uso do sistema pré-moldado tipo galpão para fins comerciais na cidade do Natal.
Os galpões pré-moldados que se proliferam pela cidade do Natal pouco se relacionam com o atual nível de desenvolvimento da construção industrializada, uma vez que fazem uso da mesma tecnologia adotada há mais de três décadas, onde, com pequenas exceções, não se observa nenhuma inovação nos processos de fabricação e montagem das peças. Na prática, há apenas a utilização de um “esqueleto” estrutural, que acaba sendo complementado com a utilização das técnicas tradicionais da construção civil empregadas na região. Como se trata de um sistema criado para o uso industrial, nota-se claramente a incompatibilidade dos componentes às exigências de programas arquitetônicos mais complexos, ocasionando uma rigidez nos projetos que pode levar, inclusive, à inadequação dos edifícios ao clima local.
3.1.1 Delimitação do universo de estudo
x O número de edifícios que empregam a tipologia dentro do campus (20 no total) é suficiente para estabelecer um universo de estudo, viabilizando a execução da pesquisa;
x Esses edifícios são semelhantes aos casos observados no restante da cidade, tanto em relação aos seus componentes construtivos, quanto ao uso dado a eles;
x Os galpões localizados no campus ainda preservam a característica de uso da ventilação natural na maioria dos casos;
x O campus central passa por um visível aumento de sua estrutura física, com a construção de diversos novos edifícios, incluindo galpões pré-moldados, onde se observa uma carência de estudos sobre a sua adequação ao clima local.
O início da construção do campus central da UFRN, data dos primeiros anos da década de 1970, com sua instalação ocorrida em 1975. O projeto arquitetônico e urbanístico original é de autoria do escritório paraense Alcyr Meira Arquitetura e Urbanismo, que não foi executado integralmente, já que no decorrer dos anos houve sucessivas adaptações que levaram à descaracterização da proposta inicial (NOBRE, 2005). Os resultados dessas várias alterações tornam-se evidentes para quem circula diariamente no campus, onde se destacam a deficiência do sistema viário, a falta de integração entre os setores, a desvalorização do sítio e também a ausência de unidade arquitetônica das edificações construídas nos últimos anos em relação às remanescentes do projeto original.
Foto 3 - Galpão construído na década de 1970, no campus da UFRN, para uso de depósito.
Nos últimos anos, observa-se que a freqüência com que os galpões passaram a ser construídos no campus central da UFRN aumentou, devido à sua utilização para diversos usos, incluindo-se a construção de prédios com funções administrativas, de laboratórios e até de salas de aulas (Foto 4). Da mesma forma que no restante da cidade, o baixo custo desse sistema construtivo fez com que a sua utilização fosse disseminada como alternativa viável para novas construções, independente do uso final dado aos edifícios.
